專利名稱：碳纖維復合材料高壓氣瓶及其制造方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種纖維纏繞復合材料高壓氣瓶及其制造方法，特別是一種高性能超薄金屬內(nèi)襯碳纖維纏繞復合材料高壓氣瓶及其制造方法。
背景技術(shù)：
與傳統(tǒng)的金屬材料高壓氣瓶相比，復合材料高壓氣瓶具有重量輕、壓力高，爆破前泄漏的安全失效模式等諸多優(yōu)點。復合材料高壓氣瓶的這些優(yōu)勢使其越來越多的應用于各工業(yè)部門，在航空航天工業(yè)中，它是空間飛行器發(fā)動機系統(tǒng)及衛(wèi)星控制系統(tǒng)的重要組成部分，其用途是攜帶輕質(zhì)高壓氣體，以控制液態(tài)燃料、氧化劑、冷卻劑等流體的流動。隨著宇航事業(yè)的迅猛發(fā)展，對宇航器件的重量要求更加嚴格。輕質(zhì)、高強、可重復使用的復合材料高壓氣瓶對于減輕發(fā)動機重量、提高飛行器性能、降低發(fā)射成本等具有重要意義，這也是發(fā)展復合材料高壓氣瓶最主要的推動力。因此在合理選擇原材料的基礎上，有必要對傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及制造方法進行優(yōu)化設計，千方百計地充分發(fā)揮材料的潛力，在滿足性能要求的前提下，盡可能地減少其無效重量，達到輕量化目的。
金屬內(nèi)襯復合材料壓力容器的基本技術(shù)起源于20世紀60年代末70年代初。
高性能碳纖維具有非常高的比強度、比剛度，適合于生產(chǎn)輕質(zhì)高壓氣瓶。但是，由這些纖維生產(chǎn)的復合材料層板具有相對較高的滲透性，不能長時間貯存高壓液(氣)體或低壓氣體。因此，復合材料高壓氣瓶必須有一個內(nèi)襯保證氣密性，防止貯存物泄露。由于復合材料層是主要的承載結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯主要起氣密性作用。因此，氣瓶效率PV/W隨著內(nèi)襯重量的增大而減小。對于高壓或氣體貯存物，尤其是滲透性強的貯存物(如氦氣)，通常使用金屬內(nèi)襯，這些金屬內(nèi)襯可以作為承載的結(jié)構(gòu)件也可以作為不承載的非結(jié)構(gòu)件。
對于輕質(zhì)、高壓氣體貯存物，目前主要有兩種基本技術(shù)(a)處于屈服狀態(tài)的金屬鋁內(nèi)襯碳纖維/環(huán)氧復合材料氣瓶；(b)承載內(nèi)襯(如不銹鋼、鈦合金等)凱夫拉/環(huán)氧復合材料壓力容器。其中，鋁內(nèi)襯碳纖維/環(huán)氧復合材料貯箱是目前最流行的技術(shù)，但這種技術(shù)也存在缺點首先，由于碳纖維的變形能力遠遠大于鋁內(nèi)襯的彈性變形能力，內(nèi)襯在每次壓力循環(huán)中都會屈服，氣瓶的循環(huán)壽命因此被限制在100次左右，這也說明這種內(nèi)襯基本上是非結(jié)構(gòu)的——它僅僅防止貯存物泄露、但承載能力很小，增加氣瓶重量。這種氣瓶的最大效率PV/W(P是爆破壓力)通常達到20Km。制造內(nèi)襯封頭的工藝常用的有兩種旋壓、沖壓。其中，沖壓技術(shù)只適合于制造厚封頭，制造薄封頭時容易出現(xiàn)開裂等問題，降低了制品的安全性；而旋壓技術(shù)則可用于制造薄壁封頭，具有較好的質(zhì)量穩(wěn)定性。
第二類復合材料高壓氣瓶所使用的內(nèi)襯具有更高的彈性極限，因而內(nèi)襯在每個工作循環(huán)周期內(nèi)均處于彈性范圍之內(nèi)。這說明這種氣瓶可能更加有效；但其效率也是20Km左右，因為工藝所要求的厚度較大并且鈦合金密度較大，導致鈦內(nèi)襯的重量大于其它金屬內(nèi)襯。這類承載內(nèi)襯高壓氣瓶通常具有更高的循環(huán)壽命，但是由于其所選用的材料及所要求的工藝，制造成本比鋁內(nèi)襯高壓氣瓶高得多。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有高壓氣瓶存在的重量大、強度低、成本高、制造周期長、氣密性不好的弊端，本發(fā)明提供一種重量輕、強度高、成本低、制造周期短、氣密性好的碳纖維復合材料高壓氣瓶及其制造方法。碳纖維復合材料高壓氣瓶，它包括金屬內(nèi)襯1和纏繞在金屬內(nèi)襯1外面的碳纖維復合材料層2，在金屬內(nèi)襯1的中心軸線兩端的封頭1-1上焊接有端頭3，在碳纖維復合材料層2外面纏繞有環(huán)向肋4，所述金屬內(nèi)襯1是由拉伸屈服強度與彈性模量之比FTY/E至少為0.6％、斷裂延伸率至少為5％的鈦合金制成，成品金屬內(nèi)襯1的厚度δ為0.5mm～1.8mm，金屬內(nèi)襯1的厚度δ與直徑D的比為2.8×10-3以下，金屬內(nèi)襯1圓柱部分的長度L1與直徑D的比至少為1.00，所述金屬內(nèi)襯1的封頭1-1為三點圓形封頭形狀，金屬內(nèi)襯1是通過旋壓拉伸封頭1-1、再結(jié)晶退火處理、機械加工、端頭焊接和焊制整體五個步驟制備而成；所述碳纖維復合材料層2是碳纖維/環(huán)氧纏繞層，即將環(huán)氧樹脂與酸酐固化劑、芐基二甲胺促進劑按照重量配比1∶0.08～0.1∶0.005～0.006的比例混合成為膠狀，然后將浸膠后的碳纖維在金屬內(nèi)襯1外表面進行纏繞制備而成。一種碳纖維復合材料高壓氣瓶的制造方法，它包括制造金屬內(nèi)襯1、在金屬內(nèi)襯1外面纏繞碳纖維復合材料層2和固化過程，所述金屬內(nèi)襯1的制備過程依次包括以下五個步驟a.旋壓拉伸封頭1-1封頭1-1的旋壓溫度為430℃～530℃，旋壓速度為200～650轉(zhuǎn)/min，進刀量為0.3～0.7mm/轉(zhuǎn)；封頭1-1成型后在500噸雙動式?jīng)_壓拉伸機上拉伸筒身1-2定型成為半個金屬內(nèi)襯1；b.再結(jié)晶退火處理再結(jié)晶溫度為700℃～930℃，保溫20～150分鐘，然后以不超過50℃/min的速度降溫至環(huán)境溫度；c.機械加工機械加工至前述過程中產(chǎn)生的氧化物材料被完全去除；d.端頭焊接通過TIG焊接方法將加工好的封頭1-1與端頭3焊接在一起；e.焊制整體通過TIG焊接方法將兩個半個內(nèi)襯1通過一條環(huán)向焊縫焊接到一起得到整體金屬內(nèi)襯1。
本發(fā)明產(chǎn)品能夠達到以下目標用具有高強度、高彈性模量和高延展率的鈦合金制造內(nèi)襯，使得所制造的復合材料高壓氣瓶，具有較高的PV/W特征值，PV/W值至少為28Km，最高可以達到40Km，其中，P指的是爆破壓力；V為氣瓶的容積；W為氣瓶的重量。由于所用內(nèi)襯較薄，所以還能夠明顯提高高壓氣瓶效率。
本發(fā)明所述復合材料高壓氣瓶的制造方法能夠制造出重量輕、可靠性高、成本低的高壓氣瓶。該方法具有如下創(chuàng)新點1)封頭及筒身是經(jīng)過旋壓拉伸一次成型的，減少了筒身段的縱向焊縫及封頭與筒身段連接處的焊縫，提高了內(nèi)襯性能，增大了復合材料高壓氣瓶的安全可靠性；2)機械加工端部接頭；3)超薄金屬內(nèi)襯焊接方法；用于復合材料高壓氣瓶的每一步關鍵操作都必須進行優(yōu)化，因為金屬的應變水平足以使得金屬發(fā)生屈服，而這種情況在全金屬高壓氣瓶中是不允許發(fā)生的。下面將對這幾個關鍵點進行簡要的討論。
1.旋壓拉伸封頭——旋壓拉伸鈦合金封頭技術(shù)也許曾被用于制造全鈦合金氣瓶，但這種技術(shù)之前從未被用于制造碳纖維/環(huán)氧復合材料高壓氣瓶的金屬內(nèi)襯。由于之前所用的多是厚壁金屬內(nèi)襯(2.5mm以上)，可以沖壓成型，但對于這種超薄金屬內(nèi)襯，無法沖壓成型，這里選用旋壓拉擠成型方法對于制造金屬內(nèi)襯封頭而言具有創(chuàng)新性。行業(yè)標準封頭旋壓工藝被證明是不能滿足本發(fā)明要求的，為了實現(xiàn)復合材料高壓氣瓶的預期性能，必須采取本發(fā)明要求的工藝步驟如旋壓溫度，機械加工(如熱處理后的機械加工以除去封頭上的富氧化物材料)，熱處理等，這樣可以滿足其作為內(nèi)襯的特殊要求。與傳統(tǒng)的沖壓工藝相比，旋壓工藝同時具有成本低、準備方便、隨時可用的優(yōu)點。
2.超薄鈦合金金屬內(nèi)襯的焊接——在這里我們選擇常見的TIG焊接工藝，因為這種焊接具有很多優(yōu)點。如它不會引起合金元素的丟失，不會產(chǎn)生氣泡，具有較高的焊接質(zhì)量；電弧熱量集中，熱影響區(qū)小，焊件變形??；具有“陰極霧化”效應，能除去焊件表面的氧化物等。這種焊接技術(shù)也許曾用于制造全鈦合金金屬氣瓶，但之前沒有用于復合材料高壓氣瓶超薄金屬內(nèi)襯的制造。與封頭的成型一樣，工藝參數(shù)必須進行優(yōu)化才能用于制造復合材料高壓氣瓶的超薄金屬內(nèi)襯，對于不同厚度的內(nèi)襯應選擇不同的工藝參數(shù)。
3.封頭與其端部接嘴的組裝焊接——用焊接將封頭與其端部接嘴焊接在一起組成內(nèi)襯的方法之前也沒有用于復合材料高壓氣瓶的生產(chǎn)。這里我們選用TIG焊接主要是因為TIG焊接能夠滿足該情況對焊縫提出的高的延展性和低的翹曲的要求。
本發(fā)明所述方法能夠同時滿足低成本、短周期與高性能的要求，使用本發(fā)明所述方法可以得到厚度為0.5mm～1.8mm的金屬內(nèi)襯，它遠遠薄于現(xiàn)有的鈦合金內(nèi)襯，也比典型的鋁合金內(nèi)襯薄。
使用本發(fā)明所述方法制造的高壓氣瓶可用于航空航天結(jié)構(gòu)，如可重復使用飛行器推進系統(tǒng)用復合材料高壓氣瓶、衛(wèi)星控制系統(tǒng)用高壓氦氣瓶、宇航員生命保障系統(tǒng)內(nèi)的呼吸用氧氣瓶等。


圖1是本發(fā)明所述高壓氣瓶的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一碳纖維復合材料高壓氣瓶，它包括金屬內(nèi)襯1和纏繞在金屬內(nèi)襯1外面的碳纖維復合材料層2，在金屬內(nèi)襯1的中心軸線兩端的封頭1-1上焊接有端頭3，在碳纖維復合材料層2外面纏繞有環(huán)向肋4，所述金屬內(nèi)襯1是由拉伸屈服強度與彈性模量之比FTY/E至少為0.6％、斷裂延伸率至少為5％的鈦合金制成，成品金屬內(nèi)襯1的厚度δ為0.5mm～1.8mm，這個厚度遠遠薄于現(xiàn)有的鈦合金內(nèi)襯，也比典型的鋁合金內(nèi)襯薄，內(nèi)襯厚度變薄，高壓氣瓶的效率得到大大增加；金屬內(nèi)襯1的厚度δ與直徑D的比為2.8×10-3以下，經(jīng)過技術(shù)攻關可以實現(xiàn)2.0×10-3，1.5×10-3，甚至1.1×10-3，金屬內(nèi)襯1圓柱部分的長度L1與直徑D的比至少為1.00，更好的情況下應該是大于1.25；所述金屬內(nèi)襯1的封頭1-1為三點圓形封頭形狀。我們在傳統(tǒng)基本設計的基礎上通過對現(xiàn)有的幾種封頭形狀進行分析后發(fā)現(xiàn)等張力封頭是一種最優(yōu)的封頭形狀，但是限于中國基礎工業(yè)還比較落后的現(xiàn)狀，無法完全按照設計制造等張力封頭，經(jīng)過大量的理論分析與實驗發(fā)現(xiàn)三點圓形封頭是一種目前最佳的封頭形狀，可以近似代替等張力封頭，所述封頭1-1形狀和厚度曲線以及復合材料層2在端部瓶嘴接頭附近和筒身一封頭連接處的結(jié)構(gòu)形式是影響容器性能的重要參數(shù)。金屬內(nèi)襯1是通過旋壓拉伸封頭1-1、再結(jié)晶退火處理、機械加工、端頭焊接和焊制整體五個步驟制備而成；所述碳纖維復合材料層2是碳纖維/環(huán)氧纏繞層，即將環(huán)氧樹脂與酸酐固化劑、芐基二甲胺促進劑按照重量配比1∶0.08～0.1∶0.005～0.006的比例混合成為膠狀，然后將浸膠后的碳纖維在金屬內(nèi)襯1外表面進行纏繞制備而成。碳纖維/環(huán)氧復合材料層是高壓氣瓶的主承載結(jié)構(gòu)，在纏繞好的高壓氣瓶的筒身1-2兩端再纏繞兩個環(huán)向肋4，供與整體系統(tǒng)固定之用。
碳纖維復合材料高壓氣瓶的制造方法，包括制造金屬內(nèi)襯1、在金屬內(nèi)襯1外面纏繞碳纖維復合材料層2和固化過程，所述金屬內(nèi)襯1的制備過程依次包括以下五個步驟a.旋壓拉伸封頭1-1封頭1-1的旋壓溫度為430℃～530℃，旋壓速度為200～650轉(zhuǎn)/min，進刀量為0.3～0.7mm/轉(zhuǎn)；封頭1-1成型后在500噸雙動式?jīng)_壓拉伸機上拉伸筒身1-2定型成為半個金屬內(nèi)襯1；b.再結(jié)晶退火處理再結(jié)晶溫度為700℃～930℃，保溫20～150分鐘，然后以不超過50℃/min的速度降溫至環(huán)境溫度；這樣處理之后，能夠去除封頭1-1中的殘余應力，并明顯提高內(nèi)襯1的延展性和斷裂韌性。
c.機械加工機械加工至前述過程中產(chǎn)生的氧化物材料被完全去除；d.端頭焊接通過TIG焊接方法將加工好的封頭1-1與端頭3焊接在一起；e.焊制整體通過TIG焊接方法將兩個半個內(nèi)襯1通過一條環(huán)向焊縫焊接到一起得到整體金屬內(nèi)襯1。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一不同之處在于，它還包括第六個步驟清洗和打磨。在制備金屬內(nèi)襯1過程中，有具體實施方式
一所述的五個步驟已經(jīng)可以實現(xiàn)得到性能良好金屬內(nèi)襯1的目的，如果加上第六個步驟，即清洗和打磨過程，可以保證金屬內(nèi)襯1與其外面纏繞層之間的接觸良好。比如在制備過程中，可以在金屬內(nèi)襯1外表面涂覆粘結(jié)劑，然后再纏繞復合材料層2，此時，經(jīng)清洗和打磨過的金屬內(nèi)襯1外表面會與復合材料層2之間的粘接良好，從而使高壓氣瓶達到更加良好的性能。所述清洗和打磨過程依次為(a)用質(zhì)量百分比濃度為0.05％～0.15％的弱堿清洗內(nèi)襯1表面5～10分鐘；(b)用蘸有乙酸乙酯溶液的細金屬刷子對金屬內(nèi)襯1表面進行機械清洗；(c)涂抹乙酸乙酯溶液；(d)用蘸有去離子水的細金屬刷子對金屬內(nèi)襯1表面進行機械清洗；(e)去離子水沖洗；(f)在金屬內(nèi)襯1表面涂抹去離子水，形成均勻涂層而不發(fā)生破裂；(g)將金屬內(nèi)襯1放入55℃～65℃的真空干燥箱中干燥30分鐘，待冷卻后即可。
具體實施方式
三本發(fā)明要求制備金屬內(nèi)襯1的材料是拉伸屈服強度與彈性模量之比FTY/E至少為0.6％、延伸率至少為5％的鈦合金即可，只要能夠達到上述性能的一切鈦合金都可以制備本發(fā)明所要求的高壓氣瓶。滿足這種條件的高性能金屬可以從包含有Al、Fe、Ta、Mo、Sn、Cr、Si、Zr及V等合金元素的鈦合金中選用，在實際操作中，比較常用的能夠達到上述性能的鈦合金材料有Ti-6V-2Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-6Al-2Cb-1Ta-0.8Mo、Ti-6Al-4V、Ti-13V-11Cr-3Al、Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Cr、Ti-11Sn-5Zr-2Al-1Mo、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn、Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.25Si或Ti-5Al-2.5Sn，上述材料只是實際應用舉例，但并不限于所列舉材料，只要能夠達到所述要求的鈦合金，都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
具體實施方式
四具體實施方式
一的金屬內(nèi)襯制造過程所述步驟中所要求的具體參數(shù)為所有可以制備本發(fā)明所述高壓氣瓶的鈦合金所必須遵照的數(shù)值范圍，只要在其范圍內(nèi)都可以得到本發(fā)明所述性能的金屬內(nèi)襯；在具體選擇材料時，針對不同的材料其工藝參數(shù)可以在其范圍內(nèi)略有調(diào)整；采用TIG焊接方法也是通用的焊接方法，在焊接時根據(jù)不同材料進行調(diào)整所采用的電流、送絲速度及焊件的轉(zhuǎn)動速度在本領域內(nèi)也是公知常識。本實施方式選用了以Ti-6Al-4V材料做為金屬內(nèi)襯1進行制造高壓氣瓶，它的制備過程如下a.旋壓拉伸封頭1-1封頭1-1的旋壓溫度為480℃，旋壓速度為400轉(zhuǎn)/min，進刀量為0.5mm/轉(zhuǎn)；封頭1-1成型后在500噸雙動式?jīng)_壓拉伸機上拉伸筒身1-2定型成為半個金屬內(nèi)襯1；b.再結(jié)晶退火處理再結(jié)晶溫度為900℃，保溫一小時，然后隨爐冷卻至環(huán)境溫度；c.機械加工機械加工至封頭1-1表面產(chǎn)生的氧化物材料被完全去除；d.端頭焊接通過TIG焊接方法將加工好的封頭1-1與端頭3焊接在一起焊接的電流為80～160A，送絲速度為2m/min～10m/min，焊件的轉(zhuǎn)動速度為250mm/min～320m/min。
e.焊制整體通過TIG焊接方法將兩個半個內(nèi)襯1通過一條環(huán)向焊縫焊接到一起得到整體金屬內(nèi)襯1焊接的電流為80～160A，送絲速度為2m/min～10m/min，焊件的轉(zhuǎn)動速度為250mm/min～320m/min。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
四的不同之處在于，它選用了以Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Cr材料做為金屬內(nèi)襯1進行制造高壓氣瓶，它的制備過程如下a.旋壓拉伸封頭1-1封頭1-1的旋壓溫度為440℃，旋壓速度為230轉(zhuǎn)/min，進刀量為0.4mm/轉(zhuǎn)；封頭1-1成型后在500噸雙動式?jīng)_壓拉伸機上拉伸筒身1-2定型成為半個金屬內(nèi)襯1；b.再結(jié)晶退火處理再結(jié)晶溫度為750℃，保溫100分鐘，然后以30℃/min的速度降溫至環(huán)境溫度；c.機械加工機械加工至封頭1-1表面產(chǎn)生的氧化物材料被完全去除；d.端頭焊接通過TIG焊接方法將加工好的封頭1-1與端頭3焊接在一起焊接的電流為125～130A，送絲速度為4m/min～4.5m/min，焊件的轉(zhuǎn)動速度為300±2mm/min。
e.焊制整體通過TIG焊接方法將兩個半個內(nèi)襯1通過一條環(huán)向焊縫焊接到一起得到整體金屬內(nèi)襯1焊接的電流為125～130A，送絲速度為4m/min～4.5m/min，焊件的轉(zhuǎn)動速度為300±2mm/min。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
四、五的不同之處在于，它選用了以Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.25Si材料作為金屬內(nèi)襯1進行制造高壓氣瓶，它的制備過程如下a.旋壓拉伸封頭1-1封頭1-1的旋壓溫度為470℃，旋壓速度為600轉(zhuǎn)/min，進刀量為0.6mm/轉(zhuǎn)；封頭1-1成型后在500噸雙動式?jīng)_壓拉伸機上拉伸筒身1-2定型成為半個金屬內(nèi)襯1；b.再結(jié)晶退火處理再結(jié)晶溫度為900℃，保溫20分鐘，然后以10℃/min的速度降溫至環(huán)境溫度；c.機械加工機械加工至封頭1-1表面產(chǎn)生的氧化物材料被完全去除；d.端頭焊接通過TIG焊接方法將加工好的封頭1-1與端頭3焊接在一起焊接的電流為60A，送絲速度為12m/min，焊件的轉(zhuǎn)動速度為200±2mm/min。
e.焊制整體通過TIG焊接方法將兩個半個內(nèi)襯1通過一條環(huán)向焊縫焊接到一起得到整體金屬內(nèi)襯1焊接的電流為125～130A，送絲速度為4m/min～4.5m/min，焊件的轉(zhuǎn)動速度為300±2mm/min。
具體實施方式
七在金屬內(nèi)襯1外面纏繞碳纖維復合材料層2可以通過現(xiàn)有的纏繞方法進行纏繞，如通過公開的專利申請01113813、名稱為“正交纏繞的復合高壓氣瓶”所提供的纏繞方法進行纏繞，也可以實現(xiàn)本發(fā)明所述的輕質(zhì)、高強、氣密性好的目的。
本發(fā)明還提供了一種在金屬內(nèi)襯1外面纏繞碳纖維復合材料層2的方法，復合材料層2包括高強度纖維和樹脂體系，復合材料層2是通過所述纖維纏繞技術(shù)排布在內(nèi)襯1表面的，經(jīng)實際試驗證明，本發(fā)明提供的纏繞方法比以前的螺旋纏繞技術(shù)或螺旋與環(huán)向纏繞相結(jié)合的方式更加有效。
該纏繞過程為首先，將環(huán)氧樹脂與酸酐固化劑、芐基二甲胺促進劑按照重量配比1∶0.08～0.1∶0.005～0.006的比例混合成為膠狀，然后將碳纖維浸膠后立即在金屬內(nèi)襯1外表面進行纏繞，實驗證明，這種組合能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)具有非常好的拉伸強度及較高的斷裂韌性。在纖維纏繞過程中采用張力遞減制度，從250N遞減到50N，并且含膠量控制在浸膠后碳纖維總重量的20～26％之間，為了防止內(nèi)襯1在纏繞張力的作用下發(fā)生失穩(wěn)，纖維纏繞的同時對金屬內(nèi)襯1實行加壓，金屬內(nèi)襯1的內(nèi)壓起初為0.2Mpa，在纏繞1/3時增加到0.3MPa，最后增加到0.4Mpa，在纏繞過程中，內(nèi)襯1的內(nèi)壓逐漸增加可以抵消由于纏繞張力而施加在內(nèi)襯1上的壓力。
纏繞方式為在筒身1-2上是環(huán)向纏繞和縱向纏繞相結(jié)合，在封頭1-1上是螺旋纏繞或平面纏繞；纏繞規(guī)律是采用1～10度的小角度穩(wěn)定纏繞及環(huán)向纏繞技術(shù)。
特種小角度穩(wěn)定纏繞是本發(fā)明的另一個創(chuàng)新點——根據(jù)復合材料高壓氣瓶的受力特點，采用小角度穩(wěn)定纏繞實現(xiàn)了纖維方向沿受力的主方向排列，充分發(fā)揮碳纖維優(yōu)異的力學性能。在金屬內(nèi)襯1上采用上述穩(wěn)定纏繞技術(shù)避免了傳統(tǒng)的局部補強技術(shù)，大大減輕了高壓氣瓶的重量，提高了氣瓶的效率，降低了制造成本，與傳統(tǒng)的螺旋纏繞加環(huán)向纏繞的纏繞方式相比，小角度穩(wěn)定纏繞技術(shù)更加有效。
具體實施方式
八本實施方式與實施方式七不同之處在于，實驗所使用的環(huán)氧樹脂為鳳凰牌高性能環(huán)氧樹脂，碳纖維是T1000碳纖維。
具體實施方式
九本實施方式所使用的環(huán)氧樹脂為鳳凰牌高性能環(huán)氧樹脂，碳纖維是T700碳纖維。
具體實施方式
十通過具體實施方式
七所述過程既可以實現(xiàn)得到性能優(yōu)良的碳纖維復合材料層2，為清楚起見，本實施方式描述了一種碳纖維的具體纏繞線型實施過程縱向二層→環(huán)向二層→縱向三層→環(huán)向二層→縱向三層→環(huán)向二層→縱向三層→環(huán)向二層→縱向三層→環(huán)向三層→固化→纏繞安裝肋→表面修整；共作10次纏繞變換，在每次纏繞進行中不準斷紗或做紗團更換工作，纏繞用四個紗團，直徑要求接近或一致，保證共同工作，減少紗團轉(zhuǎn)速比和張力的波動性；縱向纏繞角按1～10度安排；縱向纏繞由五次組成，每次變換纏繞角纏繞結(jié)束后，進行二次處理。
具體實施方式
十一在纏繞結(jié)束后，氣瓶進行固化，固化過程為現(xiàn)在制備高壓氣瓶所共有的過程，通過現(xiàn)有的固化方法既可以實現(xiàn)本發(fā)明目的。本發(fā)明提供了一種固化方法，該固化方法被證明與本發(fā)明所述的金屬內(nèi)襯1和碳纖維復合材料結(jié)合使用具有更加優(yōu)良的效果。在固化過程中，氣瓶內(nèi)的壓力始終保持在0.4MPa以上；固化制度依次為(1)以0.6±0.1℃/min的升溫速率升高到70±2℃，保溫20～25分鐘；(2)70℃保溫后，去除多余樹脂；(3)以0.5～5℃/min的升溫速度回升到70±2℃；(4)以0.6±0.1℃/min的升溫速率升高到95±2℃，多余樹脂從復合材料氣瓶表面除去；(5)以0.6±0.1℃/min的升溫速率升高到120±2℃，保溫50～70分鐘；(6)以不超過2℃/min的速度使得高壓氣瓶冷卻到室溫即完成固化。
具體實施方式
十二本實施方式以Ti-11Sn-5Zr-2Al-1Mo材料制備高壓氣瓶的金屬內(nèi)襯1，在金屬內(nèi)襯1外面使用本發(fā)明所述纏繞方法進行纏繞來制造高壓氣瓶。它的完整制備過程如下(1)制備鈦合金內(nèi)襯1a.旋壓拉伸封頭1-1金屬板應該具有足夠的厚度來保證旋壓的成功。封頭1-1的旋壓溫度為500℃，旋壓速度為200轉(zhuǎn)/min，進刀量為0.7mm/轉(zhuǎn)；封頭1-1成型后在500噸雙動式?jīng)_壓拉伸機上拉伸筒身1-2定型成為半個金屬內(nèi)襯1，封頭1-1與筒身1-2圓柱段是旋壓拉伸一次成型。通常情況下，通過該方法得到的金屬內(nèi)襯1的厚度不超過1.8mm，有時不超過0.8mm。
b.再結(jié)晶退火處理再結(jié)晶溫度為700℃，保溫60分鐘，然后以40℃/min的速度降溫至環(huán)境溫度；c.機械加工機械加工至金屬內(nèi)襯1表面產(chǎn)生的氧化物材料被完全去除；d.端頭焊接通過TIG焊接方法將加工好的封頭1-1與端頭3焊接在一起焊接的電流為100A，送絲速度為8m/min，焊件的轉(zhuǎn)動速度為280±2mm/min。
e.焊制整體通過TIG焊接方法將兩個半個內(nèi)襯1通過一條環(huán)向焊縫焊接到一起得到整體金屬內(nèi)襯1焊接的電流為100A，送絲速度為8m/min，焊件的轉(zhuǎn)動速度為280±2mm/min。
f.清洗和打磨(a)用質(zhì)量百分比濃度為0.1％的弱堿清洗內(nèi)襯1表面10分鐘；(b)用蘸有乙酸乙酯溶液的細金屬刷子對金屬內(nèi)襯1表面進行機械清洗；(c)涂抹乙酸乙酯溶液；(d)用蘸有去離子水的細金屬刷子對金屬內(nèi)襯1表面進行機械清洗；(e)去離子水沖洗；(f)在金屬內(nèi)襯1表面涂抹去離子水，形成均勻涂層而不發(fā)生破裂；(g)將金屬內(nèi)襯1放入60℃的真空干燥箱中干燥30分鐘，待冷卻后即可。
(2)在金屬內(nèi)襯1外面纏繞碳纖維復合材料層2在本實施方式所述鈦合金內(nèi)襯1冷卻后，立即用T1000碳纖維進行纏繞。首先，將環(huán)氧樹脂與酸酐固化劑、芐基二甲胺促進劑按照重量配比1∶0.09∶0.005的比例混合成為膠狀，然后將碳纖維浸膠后立即在金屬內(nèi)襯1外表面進行纏繞，在纖維纏繞過程中采用張力遞減制度，從250N遞減到50N，并且含膠量控制在浸膠后碳纖維總重量的20％，纖維纏繞的同時對金屬內(nèi)襯1實行加壓，金屬內(nèi)襯1的內(nèi)壓起初為0.2Mpa，在纏繞1/3時增加到0.3MPa，最后增加到0.4Mpa；纏繞方式為在筒身1-2上是環(huán)向纏繞和縱向纏繞相結(jié)合，在封頭1-1上是縱向纏繞或螺旋纏繞；纏繞規(guī)律是采用1～10度的小角度穩(wěn)定纏繞及環(huán)向纏繞技術(shù)。
復合材料高壓氣瓶對鈦合金提出的性能要求遠遠高于典型的鈦合金應用的要求，這是因為為了保證在所有的工作循環(huán)中內(nèi)襯1始終處于彈性范圍內(nèi)，對內(nèi)襯1進行了預壓處理，依靠纏繞張力及固化收縮使金屬內(nèi)襯1在固化結(jié)束、工作之前處于壓縮的彈性狀態(tài)。
(3)固化固化可以采用常溫固化制度，也可以采用高溫固化制度，這取決于所選擇的樹脂體系以及氣瓶的最終使用環(huán)境。為了防止由于固化收縮而產(chǎn)生的內(nèi)襯失穩(wěn)的發(fā)生，在固化過程中，氣瓶內(nèi)的壓力始終保持在0.4MPa以上；固化制度依次為(1)以0.6℃/min的升溫速率升高到70℃，保溫25分鐘；(2)70℃保溫后，去除多余樹脂，在這個過程中溫度可能降低10℃；(3)以3℃/min的升溫速度回升到70℃；(4)以0.6℃/min的升溫速率升高到95℃，多余樹脂從復合材料氣瓶表面除去；(5)以0.6℃/min的升溫速率升高到120℃，保溫60分鐘；(6)以1℃/min的速度使得高壓氣瓶冷卻到室溫即完成固化。
固化完成之后，在復合材料層2上涂敷一層保護性涂層。
最后，對復合材料高壓氣瓶內(nèi)表面用質(zhì)量濃度為0.1％～0.2％的堿液(如碳酸氫鈉溶液)清洗，直至內(nèi)表面的清潔度滿足如下要求。
表1高壓氣瓶內(nèi)表面清潔度要求

完成上述工作后，對高壓氣瓶整體進行完表面的清洗、印刷等工作，后可以包裝、運輸，供用戶使用。
上述實施方式通過對纖維纏繞高壓氣瓶復合材料層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，給出了最佳的含膠量、纖維纏繞張力、纏繞順序等纏繞規(guī)律，制備出了容積為20L的超高壓金屬內(nèi)襯碳纖維復合材料高壓氣瓶，容器性能因子(特性系數(shù))高達28Km，為進一步研制液體發(fā)動機推進系統(tǒng)用復合材料高壓氣瓶奠定了基礎。
本實施方式所述復合材料高壓氣瓶技術(shù)與現(xiàn)在的常用的復合材料氣瓶技術(shù)水平相比具有明顯的優(yōu)勢一是超薄鈦合金金屬內(nèi)襯，二是特種小角度穩(wěn)定纏繞高性能復合材料層。復合材料高壓氣瓶包含一個超薄鈦合金內(nèi)襯和高性能碳纖維纏繞復合材料層，這種技術(shù)的主要特點是超薄鈦合金內(nèi)襯與高性能的復合材料纏繞層在一起形成一個輕質(zhì)量的高性能復合材料高壓氣瓶。
權(quán)利要求
1.一種碳纖維復合材料高壓氣瓶，它包括金屬內(nèi)襯(1)和纏繞在金屬內(nèi)襯(1)外面的碳纖維復合材料層(2)，在金屬內(nèi)襯(1)的中心軸線兩端的封頭(1-1)上焊接有端頭(3)，在碳纖維復合材料層(2)外面纏繞有環(huán)向肋(4)，其特征在于所述金屬內(nèi)襯(1)是由拉伸屈服強度與彈性模量之比FTY/E至少為0.6％、斷裂延伸率至少為5％的鈦合金制成，成品金屬內(nèi)襯(1)的厚度(6)為0.5mm～1.8mm，金屬內(nèi)襯(1)的厚度(δ)與直徑(D)的比為2.8×10-3以下，金屬內(nèi)襯(1)圓柱部分的長度(L1)與直徑(D)的比至少為1.00，所述金屬內(nèi)襯(1)的封頭(1-1)為三點圓形封頭形狀，金屬內(nèi)襯(1)是通過旋壓拉伸封頭(1-1)、再結(jié)晶退火處理、機械加工、端頭焊接和焊制整體五個步驟制備而成；所述碳纖維復合材料層(2)是碳纖維/環(huán)氧纏繞層，即將環(huán)氧樹脂與酸酐固化劑、芐基二甲胺促進劑按照重量配比1∶0.08～0.1∶0.005～0.006的比例混合成為膠狀，然后將浸膠后的碳纖維在金屬內(nèi)襯(1)外表面進行纏繞制備而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳纖維復合材料高壓氣瓶，其特征在于制備金屬內(nèi)襯(1)的鈦合金材料為Ti-6V-2Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-6Al-2Cb-1Ta-0.8Mo、Ti-6Al-4V、Ti-13V-11Cr-3Al、Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Cr、Ti-11Sn-5Zr-2Al-1Mo、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo、Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn、Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.25Si或Ti-5Al-2.5Sn。
3.一種碳纖維復合材料高壓氣瓶的制造方法，包括制造金屬內(nèi)襯(1)、在金屬內(nèi)襯(1)外面纏繞碳纖維復合材料層(2)和固化過程，其特征在于所述金屬內(nèi)襯(1)的制備過程依次包括以下五個步驟a.旋壓拉伸封頭(1-1)封頭(1-1)的旋壓溫度為430℃～530℃，旋壓速度為200～650轉(zhuǎn)/min，進刀量為0.3～0.7mm/轉(zhuǎn)；封頭(1-1)成型后在500噸雙動式?jīng)_壓拉伸機上拉伸筒身(1-2)定型成為半個金屬內(nèi)襯(1)；b.再結(jié)晶退火處理再結(jié)晶溫度為700℃～930℃，保溫20～150分鐘，然后以不超過50℃/min的速度降溫至環(huán)境溫度；c.機械加工機械加工至前述過程中產(chǎn)生的氧化物材料被完全去除；d.端頭焊接通過TIG焊接方法將加工好的封頭(1-1)與端頭(3)焊接在一起；e.焊制整體通過TIG焊接方法將兩個半個內(nèi)襯(1)通過一條環(huán)向焊縫焊接到一起得到整體金屬內(nèi)襯(1)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的碳纖維復合材料高壓氣瓶的制造方法，其特征在于a步驟中的旋壓溫度為480℃，進刀量為0.5mm/轉(zhuǎn)；b步驟中，再結(jié)晶溫度為900℃，保溫一小時，然后隨爐冷卻至環(huán)境溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的碳纖維復合材料高壓氣瓶的制造方法，其特征在于d和e步驟中，所述TIG焊接方法具體如下焊接的電流為80～160A，送絲速度為2m/min～10m/min，焊件的轉(zhuǎn)動速度為250mm/min～320m/min。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的碳纖維復合材料高壓氣瓶的制造方法，其特征在于所述TIG焊接方法中，焊接的電流為125～130A，送絲速度為4m/min～4.5m/min，焊件的轉(zhuǎn)動速度為300±2mm/min。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的碳纖維復合材料高壓氣瓶的制造方法，其特征在于它還包括第六個步驟清洗和打磨，該過程依次為(a)用質(zhì)量百分比濃度為0.05％～0.15％的弱堿清洗內(nèi)襯(1)表面5～10分鐘；(b)用蘸有乙酸乙酯溶液的細金屬刷子對金屬內(nèi)襯(1)表面進行機械清洗；(c)涂抹乙酸乙酯溶液；(d)用蘸有去離子水的細金屬刷子對金屬內(nèi)襯(1)表面進行機械清洗；(e)去離子水沖洗；(f)在金屬內(nèi)襯(1)表面涂抹去離子水，形成均勻涂層而不發(fā)生破裂；(g)將金屬內(nèi)襯(1)放入55℃～65℃的真空干燥箱中干燥30分鐘，待冷卻后即可。
8.根據(jù)權(quán)利要求3、4、5、6或7所述的碳纖維復合材料高壓氣瓶的制造方法，其特征在于在金屬內(nèi)襯(1)外面纏繞碳纖維復合材料層(2)過程為首先，將環(huán)氧樹脂與酸酐固化劑、芐基二甲胺促進劑按照重量配比1∶0.08～0.1∶0.005～0.006的比例混合成為膠狀，然后將碳纖維浸膠后立即在金屬內(nèi)襯(1)外表面進行纏繞，在纖維纏繞過程中采用張力遞減制度，從250N遞減到50N，并且含膠量控制在浸膠后碳纖維總重量的20～26％之間，纖維纏繞的同時對金屬內(nèi)襯(1)實行加壓，金屬內(nèi)襯(1)的內(nèi)壓起初為0.2Mpa，在纏繞1/3時增加到0.3MPa，最后增加到0.4Mpa；纏繞方式為在筒身(1-2)上是環(huán)向纏繞和縱向纏繞相結(jié)合，在封頭(1-1)上是螺旋纏繞或平面纏繞；纏繞規(guī)律是采用1～10度的小角度穩(wěn)定纏繞及環(huán)向纏繞技術(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的碳纖維復合材料高壓氣瓶的制造方法，其特征在于具體纏繞線型實施過程為縱向二層→環(huán)向二層→縱向三層→環(huán)向二層→縱向三層→環(huán)向二層→縱向三層→環(huán)向二層→縱向三層→環(huán)向三層→固化→纏繞安裝肋→表面修整；共作10次纏繞變換，在每次纏繞進行中不準斷紗或做紗團更換工作，纏繞用四個紗團，直徑要求接近或一致，保證共同工作，減少紗團轉(zhuǎn)速比和張力的波動性；縱向纏繞角按1～10度安排；縱向纏繞由五次組成，每次變換纏繞角纏繞結(jié)束后，進行二次處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的碳纖維復合材料高壓氣瓶的制造方法，其特征在于在纏繞結(jié)束后，對氣瓶進行固化，在固化過程中，氣瓶內(nèi)的壓力始終保持在0.4MPa以上；固化制度依次為(1)以0.6±0.1℃/min的升溫速率升高到70±2℃，保溫20～25分鐘；(2)70℃保溫后，去除多余樹脂；(3)以0.5～5℃/min的升溫速度回升到70±2℃；(4)以0.6±0.1℃/min的升溫速率升高到95±2℃，多余樹脂從復合材料氣瓶表面除去；(5)以0.6±0.1℃/min的升溫速率升高到120±2℃，保溫50～70分鐘；(6)以不超過2℃/min的速度使得高壓氣瓶冷卻到室溫即完成固化。
全文摘要
碳纖維復合材料高壓氣瓶及其制造方法，涉及一種纖維纏繞復合材料高壓氣瓶及其制造方法?，F(xiàn)有高壓氣瓶存在重量大、強度低、成本高、氣密性不好的弊端。碳纖維復合材料高壓氣瓶，它的金屬內(nèi)襯(1)是由拉伸屈服強度與彈性模量之比F
文檔編號F17C1/08GK1734154SQ20051001015
公開日2006年2月15日 申請日期2005年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月4日
發(fā)明者赫曉東, 王榮國, 蘇忠華, 劉文博, 蘇鈍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學